本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種具有體內(nèi)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的功率vdmos(垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。

背景技術(shù)：

vdmos兼有雙極晶體管和普通mos器件的優(yōu)點(diǎn)。其開(kāi)關(guān)速度相對(duì)雙極晶體管較快，開(kāi)關(guān)損耗??；輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率?。豢鐚?dǎo)高度線性；頻率特性好；安全工作區(qū)相對(duì)較大。功率vdmos的發(fā)展是在mos器件自身優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，努力提高耐壓和降低損耗的過(guò)程。

功率mos的兩個(gè)重要的基本特性為其導(dǎo)通電阻rdson和擊穿電壓vbr，導(dǎo)通電阻rdson是衡量其導(dǎo)通的電阻，是衡量其導(dǎo)通時(shí)靜態(tài)能量損耗的重要參數(shù)，擊穿電壓vbr是衡量其關(guān)斷時(shí)能夠阻斷電壓的等級(jí)參數(shù)。傳統(tǒng)提升擊穿電壓的方法為降低漂移區(qū)的摻雜濃度，增加其厚度，但是該方法由于漂移區(qū)的摻雜濃度降低，其電阻率增加，且漂移區(qū)厚度增加，使得mos的導(dǎo)通電阻上升rdson。傳統(tǒng)的vdmos器件通過(guò)低摻雜的漂移區(qū)耐壓，漂移區(qū)中耗盡層電場(chǎng)分布呈三角形，其耐壓vbr和導(dǎo)通電阻rdson滿足以下公式：

rdson＝5.93×10^-9*vbr^2.5

上述公式被稱為硅極限，可以看到，傳統(tǒng)vdmos的導(dǎo)通電阻rdson∝vbr^2.5。為打破該硅極限，出現(xiàn)了不同的器件結(jié)構(gòu)，例如超結(jié)結(jié)構(gòu)(superjunction)和分離柵結(jié)構(gòu)(splitgate)，新型結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的一維器件結(jié)構(gòu)，是通過(guò)引入額外的電場(chǎng)分量的二維結(jié)構(gòu)，提升器件耐壓，打破硅極限。在此基礎(chǔ)上，場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的vdmos成為了另外一種打破硅極限的解決方案，但是常規(guī)的場(chǎng)板結(jié)構(gòu)vdmos，由于場(chǎng)板與源極等電位，其漂移區(qū)內(nèi)的縱向電場(chǎng)分布如圖2-2所示，可以看出，由于整個(gè)場(chǎng)板上的電位相同，漂移區(qū)內(nèi)的縱向電場(chǎng)值沿著垂直方向下降，制約了反向耐壓的進(jìn)一步提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種具有體內(nèi)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的vdmos器件。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種具有體內(nèi)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的vdmos器件，每個(gè)元胞結(jié)構(gòu)包括從下至上依次設(shè)置的金屬化漏極、n+襯底、n-漂移區(qū)和金屬化源極；所述n-漂移區(qū)中具有槽形體場(chǎng)板區(qū)，所述槽形體場(chǎng)板區(qū)包括：位于n-漂移區(qū)左右兩側(cè)的漸變介質(zhì)層、位于漸變介質(zhì)層中的多晶硅場(chǎng)板，所述多晶硅場(chǎng)板上方與金屬化源極相連；左右漸變介質(zhì)層之間的n-漂移區(qū)內(nèi)部左右兩側(cè)分別設(shè)有p型摻雜區(qū)，左右兩側(cè)的p型摻雜區(qū)上方設(shè)有n+重?fù)诫s源區(qū)；n+重?fù)诫s源區(qū)結(jié)深低于p型摻雜區(qū)，漸變介質(zhì)層的上端位于p型摻雜區(qū)的下表面上方、n+重?fù)诫s源區(qū)和p型摻雜區(qū)的交界面下方，且所述p型摻雜區(qū)和n+重?fù)诫s源區(qū)的遠(yuǎn)離器件中心的側(cè)壁均與所述多晶硅場(chǎng)板相接觸，所述n+重?fù)诫s源區(qū)的上表面與金屬化源極相連；所述n-漂移區(qū)的上表面設(shè)有柵氧化層，所述柵氧化層上方有柵電極；p型摻雜區(qū)和柵電極之間的半導(dǎo)體表面被柵氧化層覆蓋，柵氧化層不完全覆蓋柵電極和n+重?fù)诫s源區(qū)之間的半導(dǎo)體；所述柵電極上方設(shè)有介質(zhì)層；所述介質(zhì)層上方覆蓋源極金屬層，所述器件的元胞結(jié)構(gòu)中無(wú)p+重?fù)诫s區(qū)，所述漸變介質(zhì)層為介電常數(shù)漸變的復(fù)合介質(zhì)材料，其介電常數(shù)從靠近金屬化源極側(cè)到靠近金屬化漏極側(cè)逐漸減小。

作為優(yōu)選方式，柵電極為溝槽柵結(jié)構(gòu)。

作為優(yōu)選方式，所述漸變介質(zhì)層為氮氧化硅sioxny。

作為優(yōu)選方式，所述器件包括一個(gè)以上的上述元胞結(jié)構(gòu)。實(shí)際功率器件由多元胞共同構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)需要的功能。

本發(fā)明能夠提高耐壓、降低導(dǎo)通電阻的原理為：

一種具有體內(nèi)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的vdmos器件，其反向阻斷時(shí)的電極連接方式為：柵電極和金屬化源極短接且接零電位，金屬化漏極接正電位。在反向偏置下，p型體區(qū)和漏極pn結(jié)形成耗盡層，承受耐壓。由于槽型體場(chǎng)板的出現(xiàn)，在體場(chǎng)板的邊緣會(huì)形成耗盡層，從而推進(jìn)耗盡層向下擴(kuò)展，圖5-1所示為該器件在關(guān)斷時(shí)，其耗盡區(qū)邊界線示意圖。圖5-2為器件關(guān)斷時(shí)，縱向電場(chǎng)分布示意圖。該發(fā)明中，體內(nèi)場(chǎng)板使用介電常數(shù)漸變的介質(zhì)材料，使電流方向電場(chǎng)均勻分布，同時(shí)不會(huì)使電場(chǎng)強(qiáng)度提前到達(dá)臨界電場(chǎng)強(qiáng)度。下面對(duì)該原理進(jìn)行數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，從器件結(jié)構(gòu)中可以提取出其簡(jiǎn)化模型如圖4所示。在簡(jiǎn)化模型中vfp(x)接源極電位，即器件耐壓時(shí)該場(chǎng)板電位零電位；模型中半導(dǎo)體的寬度ts為器件場(chǎng)板之間的漂移區(qū)長(zhǎng)度的一半，半導(dǎo)體的介電常數(shù)為εs，摻雜濃度為ρ(x)，y軸方向摻雜均勻；場(chǎng)板與半導(dǎo)體之間的漸變介質(zhì)層的厚度為tox，介電常數(shù)為εd；

在mos半導(dǎo)體區(qū)域，其電場(chǎng)分布滿足二維泊松方程：

由于

要使半導(dǎo)體耐壓方向電場(chǎng)分布均勻，即半導(dǎo)體內(nèi)需滿足理想resurf方程

假設(shè)半導(dǎo)體的介電常數(shù)為εs，介質(zhì)層介電常數(shù)εd，左端p+結(jié)為零點(diǎn)位，右端n+為bv電壓。現(xiàn)在對(duì)半導(dǎo)體內(nèi)部電勢(shì)進(jìn)行推導(dǎo)，由于理想resurf結(jié)，電場(chǎng)在半導(dǎo)體內(nèi)部均勻分布，故考量式子：

該式滿足泊松方程(式1.4)和理想resurf方程(式1.5)。通常摻雜濃度在y軸方向上均勻，在x軸方向上濃度梯度為0或者常數(shù)，假設(shè)半導(dǎo)體內(nèi)部電荷密度ρ僅為x的線性函

數(shù)，即ρ(x，y)＝ρ(x)，由此可以推導(dǎo)處半導(dǎo)體內(nèi)電勢(shì)分布函數(shù)即

該式需滿足邊界條件：

可以推導(dǎo)出半導(dǎo)體中電勢(shì)分布函數(shù)的表達(dá)式為：

假設(shè)半導(dǎo)體和介質(zhì)層無(wú)界面電荷，則半導(dǎo)體側(cè)和介質(zhì)層側(cè)電位移矢量法向分量連續(xù)，即：

εoxeox＝εses

則場(chǎng)板上任意位置的電勢(shì)為：

也即場(chǎng)板上電場(chǎng)為該位置半導(dǎo)體橫向電勢(shì)和縱向電勢(shì)的和，再加上介質(zhì)層上電壓vox。氧化層中電勢(shì)差為：

所以，

其中，

對(duì)上式進(jìn)行恒等變形：

可以得出：

上式1.9指出，可以采用源極側(cè)介電常數(shù)較大，漏極側(cè)介電常數(shù)較小的介質(zhì)層來(lái)緩和半導(dǎo)體中電壓分布，提高器件的擊穿電壓。具體實(shí)施時(shí)，可通過(guò)改變介電材料的組分來(lái)改變其介電常數(shù)，如采用sioxny作為介質(zhì)層，通過(guò)改變o和n所占的比重，可改變sioxny材料的介電常數(shù)。

同時(shí)該元胞結(jié)構(gòu)相對(duì)傳統(tǒng)mos無(wú)需p+區(qū)減小寄生的基區(qū)電阻，采用源極多晶硅場(chǎng)板與p型多晶硅實(shí)現(xiàn)連接，能夠?qū)崿F(xiàn)更小的元胞尺寸，提高集成密度，減小導(dǎo)通電阻。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明場(chǎng)板介質(zhì)層采用漸變介電常數(shù)材料的漸變介質(zhì)層與多晶硅場(chǎng)板形成的體場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，使得其體內(nèi)漂移區(qū)電場(chǎng)分布更加均勻，相比傳統(tǒng)的場(chǎng)板類器件，能承受更高的耐壓。同時(shí)，能夠采用更高的外延層摻雜濃度，從而具有更小的導(dǎo)通電阻。此外，省掉傳統(tǒng)的p+重?fù)诫s區(qū)，采用場(chǎng)板多晶硅與源極金屬和體區(qū)連接，使得元胞尺寸減小，提高集成密度，使得導(dǎo)通電阻進(jìn)一步減小。

附圖說(shuō)明

圖1是普通體場(chǎng)板vdmos的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2-1是普通體場(chǎng)板vdmos耐壓時(shí)的耗盡線示意圖。

圖2-2是普通體場(chǎng)板vdmos的漂移區(qū)電場(chǎng)分布示意圖。

圖3是實(shí)施例1的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明原理的簡(jiǎn)化圖。

圖5-1是實(shí)施例1在耐壓時(shí)的耗盡線示意圖。

圖5-2是實(shí)施例1的漂移區(qū)電場(chǎng)分布示意圖。

圖6是實(shí)施例2的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7-1是實(shí)施例2在耐壓時(shí)的耗盡線示意圖。

圖7-2是實(shí)施例2的漂移區(qū)電場(chǎng)分布示意圖。

1為金屬化漏極，2為n+襯底，3為n-漂移區(qū)，4為多晶硅場(chǎng)板，5為p型摻雜區(qū)，6為柵氧化層，7為n+重?fù)诫s源區(qū)，8為柵電極，9為漸變介質(zhì)層，10為介質(zhì)層，11為金屬化源極。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

實(shí)施例1

每個(gè)元胞結(jié)構(gòu)包括從下至上依次設(shè)置的金屬化漏極1、n+襯底2、n-漂移區(qū)3和金屬化源極11；所述n-漂移區(qū)3中具有槽形體場(chǎng)板區(qū)，所述槽形體場(chǎng)板區(qū)包括：位于n-漂移區(qū)3左右兩側(cè)的漸變介質(zhì)層9、位于漸變介質(zhì)層9中的多晶硅場(chǎng)板4，，所述多晶硅場(chǎng)板4上方與金屬化源極11相連；左右漸變介質(zhì)層9之間的n-漂移區(qū)3內(nèi)部左右兩側(cè)分別設(shè)有p型摻雜區(qū)5，左右兩側(cè)的p型摻雜區(qū)5上方設(shè)有n+重?fù)诫s源區(qū)7；n+重?fù)诫s源區(qū)7結(jié)深低于p型摻雜區(qū)5，漸變介質(zhì)層9的上端位于p型摻雜區(qū)5的下表面上方、n+重?fù)诫s源區(qū)7和p型摻雜區(qū)5的交界面下方，且所述p型摻雜區(qū)5和n+重?fù)诫s源區(qū)7的遠(yuǎn)離器件中心的側(cè)壁均與所述多晶硅場(chǎng)板4相接觸，所述n+重?fù)诫s源區(qū)7的上表面與金屬化源極11相連；所述n-漂移區(qū)3的上表面設(shè)有柵氧化層6，所述柵氧化層6上方有柵電極8；p型摻雜區(qū)5和柵電極8之間的半導(dǎo)體表面被柵氧化層6覆蓋，柵氧化層6不完全覆蓋柵電極8和n+重?fù)诫s源區(qū)7之間的半導(dǎo)體；所述柵電極上方設(shè)有介質(zhì)層10；所述介質(zhì)層10上方覆蓋源極金屬層11，所述器件的元胞結(jié)構(gòu)中無(wú)p+重?fù)诫s區(qū)，所述漸變介質(zhì)層9為介電常數(shù)漸變的復(fù)合介質(zhì)材料，其介電常數(shù)從靠近金屬化源極11側(cè)到靠近金屬化漏極1側(cè)逐漸減小。

所述漸變介質(zhì)層9為氮氧化硅sioxny。通過(guò)改變o和n所占的比重，可改變sioxny材料的介電常數(shù)。

本實(shí)施例的元胞結(jié)構(gòu)，相對(duì)傳統(tǒng)mos無(wú)需p+重?fù)诫s區(qū)減小寄生的基區(qū)電阻，采用源極多晶硅場(chǎng)板與p型多晶硅實(shí)現(xiàn)連接，能夠?qū)崿F(xiàn)更小的元胞尺寸，提高集成密度，減小導(dǎo)通電阻。所述器件可包括一個(gè)以上的上述元胞結(jié)構(gòu)，實(shí)際功率器件由多元胞共同構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)需要的功能。

實(shí)施例2

本實(shí)施例和實(shí)施例1基本相同，區(qū)別在于：所述柵電極8為溝槽柵結(jié)構(gòu)。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。